토성 탐사
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1. 개요
토성 탐사는 토성과 그 위성들을 연구하기 위한 우주 탐사 활동을 의미한다. 1979년 파이어니어 11호의 근접 통과를 시작으로, 보이저 1, 2호가 토성, 고리, 위성들의 고해상도 사진을 전송하며 타이탄의 대기 연구를 수행했다. 2004년 카시니-하위헌스 탐사선이 토성 궤도에 진입하여 타이탄의 하위헌스 탐사정을 통해 대기 및 표면 데이터를 수집하고, 엔셀라두스에서 액체 물 분출 증거를 발견하는 등 획기적인 연구 결과를 도출했다. 카시니 임무는 2017년 토성 대기권 진입으로 종료되었다. 현재 중국은 2024년 토성 근접 비행을 계획하고 있으며, NASA는 2028년 타이탄 착륙을 목표로 드래곤플라이 탐사선을 발사할 예정이다.
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| 토성 탐사 | |
|---|---|
| 탐사 정보 | |
| 탐사 대상 | 토성 |
| 탐사 목적 | 토성, 토성의 고리, 토성의 위성 탐사 |
| 주요 탐사선 | 파이오니어 11호 보이저 1호 보이저 2호 카시니-하위헌스 호 |
| 파이오니어 11호 | |
| 발사일 | 1973년 4월 6일 |
| 토성 근접 통과 | 1979년 9월 1일 |
| 주요 성과 | 토성 고리의 간격 발견 타이탄 외곽 온도 측정 토성 자기장 발견 |
| 보이저 1호, 2호 | |
| 보이저 1호 발사일 | 1977년 9월 5일 |
| 보이저 1호 토성 근접 통과 | 1980년 11월 12일 |
| 보이저 2호 발사일 | 1977년 8월 20일 |
| 보이저 2호 토성 근접 통과 | 1981년 8월 26일 |
| 보이저 1호 주요 성과 | 토성의 고리 복잡한 구조 확인 타이탄의 대기 구성 성분 분석 |
| 보이저 2호 주요 성과 | 토성의 다른 위성들 추가 발견 토성 대기의 상세한 사진 촬영 |
| 카시니-하위헌스 호 | |
| 발사일 | 1997년 10월 15일 |
| 토성 궤도 진입 | 2004년 7월 1일 |
| 하위헌스 호 타이탄 착륙 | 2005년 1월 14일 |
| 임무 종료 | 2017년 9월 15일 |
| 주요 성과 | 토성의 고리 구조와 성분 상세 분석 엔셀라두스에서 물기둥 발견, 생명체 존재 가능성 시사 타이탄의 표면 액체 메탄 호수와 강 존재 확인 토성 자기장과 방사선대 연구 |
2. 근접 통과 (Flyby)
토성의 초기 탐사는 탐사선이 토성 궤도에 진입하지 않고 근접 통과(Flyby)하면서 관측하는 방식으로 이루어졌다.
1979년 9월 파이오니어 11호가 처음으로 토성을 방문했다. 파이오니어 11호는 토성의 구름 상층부로부터 20000km 이내로 근접 비행하여 행성과 몇몇 위성의 저해상도 이미지를 획득했으나, 표면 특징을 식별하기에는 해상도가 충분하지 않았다. 파이오니어 11호는 얇은 F고리와 고리의 어두운 틈이 태양 방향으로 보았을 때 밝게 빛나는 것을 발견, 즉 물질이 비어 있지 않다는 것을 발견했다. 또한 타이탄의 온도를 250 K으로 측정했다.[3]
보이저 1호는 1980년 11월 토성계를 방문하여 행성, 고리, 위성의 최초 고해상도 이미지를 전송했다. 다양한 위성의 표면 특징이 처음으로 관측되었다. 타이탄의 두꺼운 대기가 가시광선 파장에서는 투과할 수 없다는 것이 입증되어 표면 세부 사항은 관측되지 않았다. 이 비행으로 보이저 1호의 궤도가 태양계 평면에서 벗어나 행성 대탐사를 완료하지 못하게 되었다.
보이저 2호는 1981년 8월 토성계 연구를 이어갔다. 토성 위성에 대한 더 가까운 이미지를 얻었으며, 고리 변화에 대한 증거도 확보했다. 보이저 2호는 레이더로 토성 상층 대기를 탐사하여 온도와 밀도 프로파일을 측정했다. 가장 높은 수준(7킬로파스칼 압력)에서 토성의 온도가 70 K (−203 °C), 가장 깊은 수준(120킬로파스칼)에서는 온도가 143 K (−130 °C)까지 상승했다. 북극은 10 K 더 차가운 것으로 밝혀졌지만, 이는 계절적인 요인일 수 있다. 비행 중 탐사선의 회전 가능한 카메라 플랫폼이 며칠 동안 고착되어 계획된 일부 이미징이 손실되었다. 토성의 중력은 보이저 2호의 궤도를 천왕성 방향으로 향하게 하는 데 사용되었다.
두 탐사선은 행성 고리 근처 또는 내부에 있는 몇 개의 새로운 위성을 발견하고 확인했다. 또한 고리 내의 작은 맥스웰 간극과 킬러 간극을 발견했다.
2. 1. 파이어니어 11호
1979년 9월 파이어니어 11호가 최초로 토성에 접근했다. 파이어니어 11호는 토성 구름층 위 20000km 지점을 통과하며 토성과 위성 일부의 저해상도 사진을 촬영했으나, 해상도가 낮아 위성 표면을 자세히 볼 수는 없었다. F 고리를 발견했고, 고리를 태양 방향으로 보았을 때 더 밝아지는 것을 통해 고리에 물질이 있음을 밝혀냈다. 타이탄의 표면 온도는 250 K (-23 °C) 정도로 측정되었다.[29][3][20]
2. 2. 보이저 계획
1980년 11월, 보이저 1호가 토성에 도달하여 토성, 고리, 위성의 고해상도 사진을 보내왔다. 위성 표면의 여러 지질 구조 또한 처음으로 관측되었다. 타이탄의 대기가 두껍다는 사실은 이미 알려져 있었기 때문에, 보이저 1호는 타이탄에 접근하여 대기에 대한 자료를 보내 왔으나, 타이탄의 대기는 가시광선을 투과하지 못해 어떠한 표면 지형도 보이지 않았다. 보이저 1호는 타이탄에 접근함으로서 궤도가 황도면 바깥으로 나가 천왕성과 해왕성을 거치는 행성 대탐사를 하지 못하였다.[1]1981년 8월, 보이저 2호가 토성계에 진입하여 여러 위성의 근접 사진을 촬영했으며, 고리가 시간이 흐름에 따라 변화한다는 증거도 포착하였다. 보이저 2호에 탑재된 레이더로 토성 상층 대기의 온도와 밀도를 측정하였는데, 최상층(7 킬로파스칼)의 온도는 70 K (−203 °C) 가량이며, 깊어질수록 온도가 올라가 측정이 가능했던 가장 깊은 곳(120 킬로파스칼)의 온도는 143 K(−130 °C)로 측정하였다. 북극의 온도는 다른 곳보다 10 K 낮았는데, 이는 계절의 영향으로 추정된다. 보이저 2호가 토성을 통과하던 도중 카메라 플랫폼의 고장으로 계획했던 사진 촬영 일부를 진행하지 못했다. 이후 보이저 2호는 토성의 중력을 이용해 천왕성으로 향했다.[2]
두 탐사선 모두 고리 가변이나 속을 도는 새 위성을 발견하였으며, 고리의 작은 맥스웰 간극과 킬러 간극도 발견하였다.[3]
3. 카시니 궤도선
카시니-하위헌스 탐사선은 2004년부터 2017년까지 토성 궤도를 돌며 토성계를 장기간 탐사했다. 카시니는 엔셀라두스에서 물 분출 현상을, 토성의 새로운 고리를 발견했고, 타이탄에서 탄화수소 호수와 바다를 발견하는 등 여러 중요한 과학적 발견을 했다. 2009년에는 새로운 위성 4개를 발견하기도 했다.
3. 1. 카시니-하위헌스 임무
2004년 7월 1일, 카시니-하위헌스 탐사선이 토성 궤도 진입(SOI) 기동을 실시하여 공식적으로 토성 궤도에 들어왔다. SOI 이전에도 카시니는 이미 접근하며 토성계를 연구하고 있었으며, 2004년 6월에는 포에베에 근접하여 고화질 사진과 과학 데이터를 보내왔다.
카시니는 타이탄에 두 번 접근한 후, 2004년 12월 25일 하위헌스 탐사정을 분리하였다. 하위헌스는 2005년 1월 14일 타이탄 표면으로 하강하여 착륙하였고, 대기와 표면 데이터를 다량 보내왔다. 2005년 동안 카시니는 타이탄과 다른 얼음 위성들에 근접하여 연구하였다.
2006년 3월 10일, NASA는 카시니가 엔셀라두스에서 액체 물이 분출한다는 증거를 찾았다고 발표하였다.[30]
2006년 9월 20일, 카시니가 촬영한 사진에 G와 E 고리 안쪽에 기존에 발견하지 못했던 새 고리가 촬영되었다.[31]
2006년 7월 카시니가 타이탄 북극 근처에서 탄화수소 강이 존재한다는 증거를 포착했고, 2007년 3월에 촬영한 사진에서는 카스피해 정도 크기의 탄화수소 바다가 포착되었다.
카시니의 당초 계획은 2008년까지였다. 2010년 카시니 분점 임무라는 이름으로 첫 연장 임무를 시작했고, 두 번째 연장 임무인 카시니 지점 임무는 2017년 9월까지 진행되었다.[32] 카시니 임무는 2017년 9월 15일 토성에 대기권 진입함으로서 마무리되었다.[27][28]
3. 2. 주요 발견
카시니-하위헌스 탐사선은 토성을 탐사하면서 다음과 같은 주요 발견을 했다.- 엔셀라두스의 물 분출 현상 발견 (2006년): 2006년 3월 10일, NASA는 카시니 탐사선이 엔셀라두스에서 간헐천 형태로 액체 물이 분출되는 현상을 발견했다고 발표했다.[30] 이는 엔셀라두스 내부에 액체 상태의 물이 존재한다는 증거이며, 생명체 존재 가능성을 시사한다.
4. 향후 탐사 계획
여러 국가 및 기관에서 토성과 그 위성들에 대한 추가 탐사를 계획하고 있다. NASA와 ESA는 타이탄 토성계 임무를 공동 제안하여 토성, 타이탄, 엔셀라두스를 탐사하려 했으나, 2009년 2월 유로파 목성계 임무에 우선권을 부여하기로 발표했다.[34][35]
4. 1. 제안된 임무
타이탄 토성계 임무(TSSM)는 NASA와 ESA가 토성과 그 위성 타이탄, 엔셀라두스를 탐사하기 위해 공동 제안한 계획이다.[33] 이 임무는 유로파 목성계 임무(EJSM)와 경쟁하였으나, 2009년 2월 EJSM에 우선순위가 부여되었다.[34][35] 하지만 TSSM은 추후 발사를 목표로 계속 연구될 예정이다.
다른 제안된 임무는 다음과 같다.
| 탐사선 이름 | 제안 년도 | 설명 |
|---|---|---|
| 엔셀라두스 및 타이탄 탐사선(JET) | 2010년[36] | |
| 타이탄 늪 탐사선(TiME) | 2011년 | 타이탄의 메테인 강을 탐사할 수상 탐사선 (NASA 디스커버리 계획 일부로 300만달러 투자) |
| 엔셀라두스 탐사선(EnEx) | 2012년[37] | 얼음을 뚫고 탐사 |
| LIFE | 2012년[38][39][40] | 표본 회수 임무 |
| 엔셀라두스 생명체 탐사선(ELF) | 2015년[41] | |
| 엔셀라두스 오비랜더(Enceladus Orbilander) | 2020년[19] | 응용 물리학 연구소 제안 |
4. 2. 진행 중이거나 예정된 임무
중국 국가항천국(CNSA)의 성제 탐사 우주선 2기가 2024년에 발사될 예정이며, 토성을 근접 비행할 가능성이 있다.[7][8] 미국 NASA의 드래곤플라이 우주선은 2028년에 발사되어 토성의 위성 타이탄에 착륙할 예정이다.[9]참조
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